Abstract Representations of Sensorimotor Transformations in Human Premotor Cortex

人体は適応力の驚異です。私たちは、散らかった机の上にあるコーヒーカップに手を伸ばしたかと思えば、瞬時にキーボードでのタイピングへと切り替え、その後には、飛んでくるテニスボールに合わせてラケットを導くことができます。これらの動作のそれぞれにおいて、脳は「対象がどこにあるか」という視覚的な目標を、特定の身体的動きへと翻訳する必要があります。数十年にわたり、科学者たちは脳の中に身体の地図が存在し、特定の領域が異なる筋肉を制御するために活動することを知ってきました。しかし、より深い疑問が残り続けています。脳はあらゆる状況に応じた筋肉への指令リストを単に保存しているのでしょうか、それとも、どのように行動すべきかという、より柔軟で抽象的な理解を保持しているのでしょうか。もし道具によって手と対象物の関係が変わるなど、ゲームのルールが変わったとき、脳はすべてを一から学び直すのでしょうか、それとも新しいルールを認識し、異なる種類の論理を適用するのでしょうか。この区別を理解することは極めて重要です。なぜなら、それが私たちがどのように素早く新しいスキルを習得し、環境が予期せず変化したときにどのように制御を維持できるのかを明らかにしているからです。

これを探求するために、研究者たちは、頭頂部の近くに位置し、運動の計画と実行を司る領域である感覚運動皮質に注目しました。彼らは、この領域が「手が動いている方向」と、「その動きが視覚的な結果へとどのように変換されるかを規定する特定のルールや『コンテキスト（文脈）』」という、2種類の異なる情報を同時に保持できるかどうかを調べたいと考えました。制御された実験の中で、参加者は、脳の活動の詳細な画像をとる装置である磁気共鳴画像法（MRI）スキャナーの中に座りました。スキャナーの中で、彼らは手首のみを使って画面上のコンピュータカーソルを操作することを学びました。課題は、手首とカーソルの間のつながりが、必ずしも単純ではないことでした。ある試行セットでは、カーソルは手に対して回転した形で動きました。別の試行では、鏡に映したような反転した形で動きました。参加者はこれら2つの異なるルールを学習し、その間を切り替えながら、研究者たちは彼らの脳内で何が起きているかを観察しました。

科学者たちは、人の手が特定の方向に動いていることと、人が特定のルールに従って手を動かしていることの違いを、脳活動のパターンから判別できるかどうかを分析しました。その結果、脳はこの2つを同じものとしては扱っていないことがわかりました。筋肉へ直接信号を送ることで知られる一次運動野において、活動パターンは手首の動かし方によって変化しましたが、人物がどのルールに従っているかに関わらず、一定でした。これは、この部分の脳が、動きの物理的なメカニズムそのものに集中していることを示唆しています。しかし、一次運動野のすぐ前方にある領域である背側前運動野では、異なる物語が浮かび上がりました。ここでの脳活動パターンは、動きの方向だけでなく、使用されている特定のルールによっても変化したのです。この領域のニューロンは、二重のメッセージを運んでいるようでした。つまり、彼らは手がどこへ向かっているのかを知ると同時に、タスクの抽象的なコンテキストも理解していたのです。

研究はさらに、この抽象的な理解がパフォーマンスにどのように影響するかを調べるために進められました。研究者たちは、前運動野における変換コンテキストに対する脳活動パターンがより強い個人ほど、タスクの成績が良いことを発見しました。言い換えれば、異なるルールをより明確に区別できる脳を持っていた人こそが、より効果的に動きを適応させることができたのです。この発見は、前運動野が「何をすべきか」という概念と、実際の「筋肉を動かすための指令」との間の架け橋として機能していることを示唆しています。それは単に特定の筋肉を収縮させるための命令を発するだけではありません。それは状況の柔軟な表現を保持しており、ゲームのルールが変わったときに正しい戦略を適用することを可能にしているのです。この結果は、私たちの学習能力と適応能力が、目標やコンテキストを、それを達成するために必要な具体的な物理的動きから分離できる神経系に根ざしていることを示しています。